Desarrollo de una plataforma de control versátil para sistemas de energía distribuidos

Abstract

Los convertidores modulares son cada vez más usados debido a las ventajas que ofrece la modularidad como la escalabilidad, la alta potencia manejable y la reducción de costes de mantenimiento. Sin embargo, la mayoría de instalaciones utilizan técnicas de control centralizadas para manejarlos. El control centralizado, aunque ha sido el estándar en este tipo de aplicaciones, tiene algunas desventajas como la necesidad de gran cantidad de pines de entrada y salida del controlador. La mayoría de líneas de investigación y las nuevas aplicaciones industriales están apostando por el control coordinado y descentralizado, permitiendo que los extremos puedan llevar a cabo algunas tareas de control. Este proyecto pretende ser útil en el desarrollo de nuevas formas de control, proporcionando una herramienta flexible, adaptable a la mayoría de las topologías de control y programable rápidamente para implementar técnicas de control variadas. Para ello, se ha diseñado una placa de control basada en un microprocesador multi-core, versátil y flexible, de forma que pueda ser usada en diferentes paradigmas de comunicación y con controladores extremos o centrales. Para ello, cuenta con una amplia variedad de periféricos que permiten realizar funciones diversas. Entre los periféricos que contiene podemos encontrar puertos para comunicaciones prioritarias y no prioritarias, PWMs, ADCs, buses de comunicaciones digitales, etc. Además, en cuanto a software, se ha definido una estructura de control transparente al usuario. Ha sido particularizado para tres modos de funcionamiento esperados, con el fin de facilitar la implementación de los controladores. Se ejecuta cíclicamente atendiendo periódicamente diferentes tareas como recibir y enviar mensajes, ejecutar algoritmos de control, convertir señales analógicas entrantes en datos, etc. Este TFM también ha englobado el desarrollo de librerías para manejar dos dispositivos externos a través del bus I2C (un expansor de pines GPIO y un convertidor analógicodigital). Todo este software y hardware ha sido probado, en ocasiones con éxito y en otras sin fortuna, buscando el fallo y siempre encontrando el problema. Por último, en los apéndices del documento, el próximo usuario de esta solución puede encontrar algunas pautas de qué pasos seguir para arrancar, así como ayudas a posibles cambios que quieran realizarse en el código.

Modular converters are increasingly used due to the advantages of modularity such as scalability, high manageable power and reduced maintenance costs. However, most installations use centralised control techniques to operate them. Centralised control, although it has been the standard in this type of application, has some disadvantages such as the need for a large number of controller input and output pins. Most research lines and new industrial applications are opting for coordinated and decentralised control, allowing endpoints to carry out some control tasks. This project aims to be useful in the development of new forms of control, providing a flexible tool, adaptable to most control topologies and quickly programmable to implement various control techniques. To this end, a versatile and flexible multi-core microprocessor-based control board has been designed, so that it can be used in different communication paradigms and with extreme or central controllers. For this purpose, it has a wide variety of peripherals that allow different functions to be carried out. Among the peripherals it contains, we can find ports for priority and non-priority communications, PWMs, ADCs, digital communications buses, etc. In addition, in terms of software, an user-transparent control structure has been defined. It has been customised for three expected operating modes, in order to facilitate the implementation of the controllers. It is executed cyclically, attending to different tasks such as receiving and sending messages, executing control algorithms, converting incoming analogue signals into data, etc. This TFM has also included the development of libraries to handle two external devices through the I2C bus (a GPIO pin expander and an analogue-to-digital converter). All this software and hardware has been tested, sometimes successfully and sometimes unsuccessfully, looking for the fault and always finding the problem. Finally, in the appendices of the document, the next user of this solution can find some guidelines on what steps to follow to get started, as well as help for possible changes to be made to the code.